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本文针对典型重载齿轮Fe-Cr2Ni4合金材料,开展表面深层梯度强化研究,通过精确控制热处理工艺,利用淬火-碳再分配及析出相强化的方式增加强韧性,同时优化强韧性匹配,获得接触疲劳性能优异的梯度强化耐磨层。借助场发射扫描电子显微镜(SEM),电子背散射衍射(EBSD),场发射透射电子显微镜(TEM),X射线衍射仪(XRD)等测试手段,通过解析梯度强化层的微观组织、晶格结构、位错组态、相界演变等,探讨Fe-Cr2Ni4合金高强韧梯度耐磨层的强化机制。为进一步阐明抵抗接触疲劳磨损的梯度强化层微观组织对宏观性能的影响机制,本文借助Hypermesh/Abaqus等计算机辅助软件,基于高强韧梯度材料的真实组织,开展疲劳应力场模拟计算分析,以获取梯度强化层的应力场分布,进而阐明梯度强化层疲劳磨损的失效机制。同时,为了系统研究通过高碳势原子扩散获取深层强化层的微观作用机理,本文进一步结合第一原理计算和分子动力学模拟,研究单间隙碳原子在面心立方晶格中的固溶及迁移性质,探讨多间隙碳原子体系的空间分布规律及其对碳原子迁移扩散的影响,并从分子动力学角度论证多间隙原子体系的非均匀稳定性质。主要得出以下结论:对Fe-Cr2Ni4合金表面进行高碳势渗碳-淬火-回火热处理研究,得到了强韧化性能优异的梯度强化层。针对不同回火时间的高碳Fe-Cr2Ni4合金强化层,表现为不同的强化机制,以马氏体逆转变与碳配分强化、马氏体本征强化和第二相强化的相互竞争为主。相对低碳配分强化层的疲劳磨损以局部小块剥层为主,表面被剥层的区域逐渐扩大,进而吞噬未发生剥层区域;高碳配分强化层的马氏体组织抵抗变形能力较好,不易产生次表层马氏体片层间的疲劳裂纹源;高碳析出强化层的马氏体条束基本不发生变形,马氏体内部的板条束之间不易产生疲劳裂纹源,但次表层的脆性疲劳裂纹依然存在,接触循环载荷作用下,疲劳位错分步缓慢移动,未直接绕过析出相,在析出相附近形成位错的塞积,进而阻碍了疲劳位错滑移,循环接触应力场下析出相的强化效应明显大于静拉伸的传统临界尺寸;由于马氏体板条束的本征强化,以原奥氏体晶粒为单元的马氏体区域之间的疲劳应力增大,原奥氏体晶界出现较大的疲劳拉应力,进而出现沿晶脆性疲劳裂纹;可通过控制更细的析出相尺寸,在强化马氏体板条束的同时,使其兼具一定的塑韧性,避免晶界的脆性裂纹,达到最佳强韧性匹配及抗疲劳磨损性能。通过碳原子在间隙微区内的迁移能分布特征,获取了面心立方铁晶格中的八面体间隙之间的碳原子非线性迁移扩散路径和择优取向;在多间隙原子体系中的此择优取向依然存在。择优取向排布的间隙原子,不仅处于低能态,而且在原子迁移过程中,彼此间的排斥力将会促使其更容易地以上述非线性方式进行迁移以扩散,进而以增大扩散速率。Fe-C晶格中,在以高碳势扩散获取深厚强化层的过程中,存在间隙碳原子的空间非均匀稳定状态,并可进一步促进了奥氏体面心立方晶格中间隙碳原子的快速扩散。本文从原子跃迁-晶格演变-组织转变-应力分布-宏观性能等多尺度,深入阐述了高强韧Fe-Cr2Ni4合金的强化层强韧性匹配、接触疲劳性能与微观组织的关联关系,为重载齿轮材料的强韧化提供新思路和理论借鉴,对发挥极限工况重载齿轮的硬齿面高承载能力,延长服役寿命具有重要意义。